Un nouvel algorithme permet un fonctionnement optimisé des pompes à chaleur résidentielles
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Des chercheurs autrichiens ont développé un nouvel algorithme de contrôle prédictif qui permettrait d'améliorer le confort des maisons équipées de pompes à chaleur. L'algorithme permet également de prévoir les prix de l'électricité à l'avance.
Des chercheurs de l'Université autrichienne des ressources naturelles et des sciences de la vie de Vienne ont présenté un nouvel algorithme de contrôle prédictif par modèle (MPC : Model Predictive Control) à faible technologie pour le fonctionnement des pompes à chaleur en respectant le réseau. Il est basé sur un algorithme introduit l'année dernière qui était axé sur l'optimisation du confort thermique. Entre-temps, le groupe a amélioré l'algorithme pour prendre également en compte les prix de l'électricité à un jour.
« La construction de bâtiments bien isolés thermiquement avec masse thermique, couplée à des pompes à chaleur, est primordiale pour faire avancer la transition vers un secteur économe en énergie. Un système particulièrement respectueux du réseau devrait être équipé d'un système de contrôle intelligent en tandem avec une source de production d'électricité renouvelable décentralisée (par exemple le photovoltaïque) », a déclaré le groupe. « Cependant, cette approche montre clairement que l'interaction des bâtiments avec le réseau électrique est inévitable et qu'un contrôle intelligent est nécessaire. »
Le modèle original comprenait deux éléments : la modélisation de la maison avec ses composants activés thermiquement (TAB : Thermally Activated Components) et un concept de régulation basé sur des prévisions basées sur l'analyse des données de prévisions météorologiques. Son extension impliquait la prise en compte de signaux de prix basés sur les prix réels du marché de l'électricité ou sur une logique simple.
Le nouveau composant de prix calcule le coût de chauffage en fonction de la demande thermique prévue, du coefficient de performance (COP : Coefficient Of Performance) de la pompe à chaleur et des tarifs d'électricité prévus. Il inclut également des paramètres tels que le facteur de déviation et les facteurs de puissance, qui permettent une combinaison plus fine du confort thermique et des économies de coûts. L'ajout a été validé sur un cadre de simulation Matlab/Simulink pour décembre 2020.
« La validation de la nouvelle fonction de coût, y compris les facteurs de déviation et de puissance, est positive », ont déclaré les universitaires. « La comparaison avec les résultats de l’algorithme original est satisfaisante, et le fonctionnement des pompes à chaleur en fonction du réseau, en tenant compte des signaux de prix, est donc possible. Cette validation est appuyée par l’analyse des études existantes. »
Suite aux résultats positifs de la validation, le groupe a testé le MPC amélioré dans le cadre d'une étude de cas. Celle-ci comprenait des données de surveillance météorologique réelles de Vienne, en Autriche, en 2023, ainsi que les prix réels du lendemain correspondants basés sur les bourses. En outre, les coûts moyens du réseau, les taxes et les prélèvements du marché autrichien ont été ajoutés au calcul.
La simulation a été réalisée sur un bâtiment basse consommation, d'environ 60 kWh/m2 et doté de différents composants thermiquement activés (TAB). La pompe à chaleur de cette maison avait un coefficient de performance (COP) de 4 et était supposée être connectée à un ballon tampon d'eau chaude. La température ambiante était réglée à 22 °C pendant tout le mois de simulation. Au total, quatre scénarios ont été examinés : le premier tenait compte du confort thermique ; le deuxième intégrait les prix réels de l'énergie ; le troisième supposait que les prix étaient inférieurs de 20 % ; et le quatrième (n° 4) supposait qu'ils étaient supérieurs du même taux.
« Le scénario de base requiert le plus d’énergie de chauffage, tandis que le scénario n°4 nécessite environ 100 kWh d’énergie en moins. En outre, les coûts énergétiques sont les plus élevés pour les trois variations de coûts du scénario de base, alors que les résultats obtenus avec la nouvelle fonction de coûts conduisent à des coûts énergétiques plus faibles », a déclaré le groupe. « Par rapport au scénario de base, la réduction des coûts pour les petites fluctuations de prix de l’électricité (réduction de 20 %) est de 6,65 %, tandis que les fluctuations de prix plus importantes (amplifiées de 20 %) conduisent à une réduction des coûts de 12,5 %. »
En conclusion de leurs recherches, les chercheurs ont déclaré que « cet algorithme est un outil permettant d’augmenter l’efficacité des technologies de chauffage et de refroidissement et de réduire les coûts énergétiques des bâtiments. De plus, la mise en œuvre du premier MPC low-tech développé dans des bâtiments existants a prouvé la simplicité de mise en œuvre (via un ordinateur monocarte) et la possibilité d’une large application d’un tel algorithme low-tech. »
Leurs résultats ont été présentés dans « Extension d'un algorithme MPC low-tech pour le fonctionnement d'une pompe à chaleur compatible avec le réseau », publié dans Energy and Buildings .